La Legge di Induzione di Faraday descrive come una corrente elettrica produce un campo magnetico e, al contrario, come un campo magnetico mutevole genera una corrente elettrica in un conduttore. Il fisico inglese Michael Faraday ottiene il merito di aver scoperto l’induzione magnetica nel 1830; tuttavia, un fisico americano, Joseph Henry, ha fatto indipendentemente la stessa scoperta nello stesso periodo, secondo l’Università del Texas.
È impossibile sopravvalutare il significato della scoperta di Faraday., L’induzione magnetica rende possibili i motori elettrici, i generatori e i trasformatori che costituiscono il fondamento della tecnologia moderna. Comprendendo e usando l’induzione, abbiamo una rete elettrica e molte delle cose che ci colleghiamo.
La legge di Faraday fu successivamente incorporata nelle più complete equazioni di Maxwell, secondo Michael Dubson, professore di fisica all’Università del Colorado Boulder., Le equazioni di Maxwell furono sviluppate dal fisico scozzese James Clerk Maxwell per spiegare la relazione tra elettricità e magnetismo, essenzialmente unendole in un’unica forza elettromagnetica e descrivendo le onde elettromagnetiche che costituiscono onde radio, luce visibile e raggi X.
Elettricità
La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia, secondo il Rochester Institute of Technology. Sebbene sia difficile descrivere cosa sia effettivamente, abbiamo abbastanza familiarità con il modo in cui si comporta e interagisce con altre cariche e campi., Il campo elettrico da una carica puntiforme localizzata è relativamente semplice, secondo Serif Uran, professore di fisica alla Pittsburg State University. Egli lo descrive come irradiando ugualmente in tutte le direzioni, come la luce di una lampadina nuda, e diminuendo in forza come il quadrato inverso della distanza (1/r2), in conformità con la legge di Coulomb. Quando ti sposti due volte più lontano, l’intensità del campo diminuisce a un quarto, e quando ti sposti tre volte più lontano, diminuisce a un nono.
I protoni hanno carica positiva, mentre gli elettroni hanno carica negativa., Tuttavia, i protoni sono per lo più immobilizzati all’interno dei nuclei atomici, quindi il compito di trasportare la carica da un luogo all’altro è gestito dagli elettroni. Gli elettroni in un materiale conduttore come un metallo sono in gran parte liberi di spostarsi da un atomo all’altro lungo le loro bande di conduzione, che sono le orbite degli elettroni più alte. Una forza elettromotrice sufficiente (emf), o tensione, produce uno squilibrio di carica che può causare elettroni si muovono attraverso un conduttore da una regione di carica più negativa ad una regione di carica più positiva. Questo movimento è ciò che riconosciamo come una corrente elettrica.,
Magnetismo
Per comprendere la Legge di Induzione di Faraday, è importante avere una conoscenza di base dei campi magnetici. Rispetto al campo elettrico, il campo magnetico è più complesso. Mentre le cariche elettriche positive e negative possono esistere separatamente, i poli magnetici vengono sempre in coppia-uno a nord e uno a sud, secondo la San Jose State University. In genere, magneti di tutte le dimensioni — dalle particelle subatomiche ai magneti di dimensioni industriali ai pianeti e alle stelle-sono dipoli, il che significa che ognuno ha due poli., Chiamiamo questi poli nord e sud dopo la direzione in cui puntano gli aghi della bussola. È interessante notare che, poiché i poli opposti si attraggono, e come i poli si respingono, il polo nord magnetico della Terra è in realtà un polo magnetico sud perché attrae i poli nord degli aghi della bussola.
Un campo magnetico è spesso raffigurato come linee di flusso magnetico. Nel caso di un magnete a barre, le linee di flusso escono dal polo nord e si curvano per rientrare al polo sud., In questo modello, il numero di linee di flusso che passano attraverso una data superficie nello spazio rappresenta la densità del flusso, o la forza del campo. Tuttavia, va notato che questo è solo un modello. Un campo magnetico è liscio e continuo e in realtà non è costituito da linee discrete.
Il campo magnetico terrestre produce un’enorme quantità di flusso magnetico, ma è disperso su un enorme volume di spazio., Pertanto, solo una piccola quantità di flusso passa attraverso una determinata area, risultando in un campo relativamente debole. In confronto, il flusso da un magnete da frigorifero è molto piccolo rispetto a quello della Terra, ma la sua intensità di campo è molte volte più forte a distanza ravvicinata dove le sue linee di flusso sono molto più densamente imballate. Tuttavia, il campo diventa rapidamente molto più debole mentre ti allontani.
Induzione
Se eseguiamo una corrente elettrica attraverso un filo, produrrà un campo magnetico attorno al filo. La direzione di questo campo magnetico può essere determinata dalla regola della mano destra., Secondo il dipartimento di fisica della Buffalo State University di New York, se si estende il pollice e si arricciano le dita della mano destra, il pollice punta nella direzione positiva della corrente e le dita si arricciano nella direzione nord del campo magnetico.
Se si piega il filo in un ciclo, le linee di campo magnetico si piega con esso, formando un toroide, o forma a ciambella., In questo caso, il pollice punta nella direzione nord del campo magnetico che esce dal centro del ciclo, mentre le dita punteranno nella direzione positiva della corrente nel ciclo.
Se si esegue una corrente attraverso un anello di filo in un campo magnetico, l’interazione di questi campi magnetici eserciterà una forza di torsione, o coppia, sul ciclo facendolo ruotare, secondo il Rochester Institute of Technology. Tuttavia, ruoterà solo fino a quando i campi magnetici non saranno allineati. Se vogliamo che il ciclo continui a ruotare, dobbiamo invertire la direzione della corrente, che invertirà la direzione del campo magnetico dal ciclo., Il ciclo ruoterà quindi di 180 gradi fino a quando il suo campo non sarà allineato nell’altra direzione. Questa è la base per il motore elettrico.
Al contrario, se ruotiamo un anello di filo in un campo magnetico, il campo indurrà una corrente elettrica nel filo. La direzione della corrente si invertirà ogni mezzo giro, producendo una corrente alternata. Questa è la base per il generatore elettrico. Va notato qui che non è il movimento del filo ma piuttosto l’apertura e la chiusura del ciclo rispetto alla direzione del campo che induce la corrente., Quando il ciclo è rivolto verso il campo, la quantità massima di flusso passa attraverso il ciclo. Tuttavia, quando il loop è rivolto verso il campo, nessuna linea di flusso passa attraverso il loop. È questo cambiamento nella quantità di flusso che passa attraverso il ciclo che induce la corrente.
Un altro esperimento che possiamo eseguire è quello di formare un filo in un loop e collegare le estremità a un misuratore di corrente sensibile, o galvanometro. Se poi spingiamo un magnete a barra attraverso il ciclo, l’ago nel galvanometro si muoverà, indicando una corrente indotta., Tuttavia, una volta fermato il movimento del magnete, la corrente ritorna a zero. Il campo del magnete indurrà una corrente solo quando aumenta o diminuisce. Se tiriamo indietro il magnete, indurrà nuovamente una corrente nel filo, ma questa volta sarà nella direzione opposta.
Se dovessimo mettere una lampadina nel circuito, dissiperebbe l’energia elettrica sotto forma di luce e calore, e sentiremmo resistenza al movimento del magnete mentre lo spostavamo dentro e fuori dal circuito. Per spostare il magnete, dobbiamo fare un lavoro equivalente all’energia utilizzata dalla lampadina.
In un altro esperimento, potremmo costruire due anelli di filo, collegare le estremità di uno a una batteria con un interruttore e collegare le estremità dell’altro anello a un galvanometro., Se posizioniamo i due anelli vicini l’uno all’altro in un orientamento faccia a faccia e accendiamo l’alimentazione al primo ciclo, il galvanometro collegato al secondo ciclo indicherà una corrente indotta e quindi tornerà rapidamente a zero.
Ciò che sta accadendo qui è che la corrente nel primo ciclo produce un campo magnetico, che a sua volta induce una corrente nel secondo ciclo, ma solo per un istante quando il campo magnetico sta cambiando. Quando si spegne l’interruttore, lo strumento devierà momentaneamente nella direzione opposta., Questa è un’ulteriore indicazione che è il cambiamento nell’intensità del campo magnetico, e non la sua forza o movimento che induce la corrente.
La spiegazione di ciò è che un campo magnetico fa muovere gli elettroni in un conduttore. Questo movimento è ciò che conosciamo come corrente elettrica. Alla fine, però, gli elettroni raggiungono un punto in cui sono in equilibrio con il campo, a quel punto smetteranno di muoversi. Quindi, quando il campo viene rimosso o spento, gli elettroni torneranno alla loro posizione originale, producendo una corrente nella direzione opposta.,
A differenza di un campo gravitazionale o elettrico, un campo di dipolo magnetico è una struttura 3-dimensionale più complessa che varia in forza e direzione in base alla posizione in cui viene misurata, quindi richiede calcolo per descriverlo completamente. Tuttavia, possiamo descrivere un caso semplificato di un campo magnetico uniforme — ad esempio, una sezione molto piccola di un campo molto grande-come ΦB = BA, dove ΦB è il valore assoluto del flusso magnetico, B è la forza del campo e A è un’area definita attraverso la quale passa il campo., Viceversa, in questo caso la forza di un campo magnetico è il flusso per unità di area, o B = ΦB/A.
Legge di Faraday
Ora che abbiamo una conoscenza di base del campo magnetico, siamo pronti a definire la Legge di Induzione di Faraday. Afferma che la tensione indotta in un circuito è proporzionale alla velocità di variazione nel tempo del flusso magnetico attraverso quel circuito. In altre parole, più velocemente cambia il campo magnetico, maggiore sarà la tensione nel circuito. La direzione del cambiamento nel campo magnetico determina la direzione della corrente.,
Possiamo aumentare la tensione aumentando il numero di loop nel circuito. La tensione indotta in una bobina con due anelli sarà il doppio di quella con un anello e con tre anelli sarà tripla. Questo è il motivo per cui i motori e i generatori reali hanno in genere un gran numero di bobine.
In teoria, motori e generatori sono gli stessi. Se si accende un motore, genererà elettricità e applicando tensione a un generatore, lo farà girare. Tuttavia, la maggior parte dei motori e dei generatori reali sono ottimizzati per una sola funzione.,
Trasformatori
Un’altra importante applicazione della Legge di Induzione di Faraday è il trasformatore, inventato da Nikola Tesla. In questo dispositivo, la corrente alternata, che cambia direzione molte volte al secondo, viene inviata attraverso una bobina avvolta attorno a un nucleo magnetico. Questo produce un campo magnetico mutevole nel nucleo, che a sua volta induce una corrente in seconda bobina avvolta attorno a una parte diversa dello stesso nucleo magnetico.,
Il rapporto tra il numero di giri nelle bobine determina il rapporto tra la tensione tra la corrente di ingresso e di uscita. Ad esempio, se prendiamo un trasformatore con 100 giri sul lato di ingresso e 50 giri sul lato di uscita, e immettiamo una corrente alternata a 220 volt, l’uscita sarà di 110 volt., Secondo l’iperfisica, un trasformatore non può aumentare la potenza, che è il prodotto della tensione e della corrente, quindi se la tensione viene sollevata, la corrente viene abbassata proporzionalmente e viceversa. Nel nostro esempio, un ingresso di 220 volt a 10 ampere, o 2.200 watt, produrrebbe un’uscita di 110 volt a 20 ampere, di nuovo, 2.200 watt. In pratica, i trasformatori non sono mai perfettamente efficienti, ma un trasformatore ben progettato in genere ha una perdita di potenza di solo una piccola percentuale, secondo l’Università del Texas.,
I trasformatori rendono possibile la rete elettrica dalla quale dipendiamo per la nostra società industriale e tecnologica. Le linee di trasmissione cross-country operano a centinaia di migliaia di volt per trasmettere più potenza entro i limiti di carico di corrente dei fili. Questa tensione viene abbassata ripetutamente utilizzando trasformatori nelle sottostazioni di distribuzione fino a raggiungere la tua casa, dove viene finalmente abbassata a 220 e 110 volt che possono far funzionare la tua stufa elettrica e il tuo computer.